[論文レビュー] Determination of the strong coupling constant from transverse energy$-$energy correlations in multijet events at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.+2877 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器を用いて13 TeVのpp衝突で得られた139 fb⁻¹のデータから、多ジェット事象における横断的エネルギー・エネルギー相関（TEEC）およびその方位対称性（ATEEC）の高精度測定を報告する。これは、次々に次々に精度（NNLO）での強い結合定数𝛼𝑠の初回抽出を達成し、𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006（実験的）+0.0034/−0.0017（理論的）をもたらし、高運動量スケールにおけるQCDの厳密なテストを提供する。

ABSTRACT

Measurements of transverse energy$-$energy correlations and their associated azimuthal asymmetries in multijet events are presented. The analysis is performed using a data sample corresponding to 139 $\mbox{fb\(^{-1}\)}$ of proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements are presented in bins of the scalar sum of the transverse momenta of the two leading jets and unfolded to particle level. They are then compared to next-to-next-to-leading-order perturbative QCD calculations for the first time, which feature a significant reduction in the theoretical uncertainties estimated using variations of the renormalisation and factorisation scales. The agreement between data and theory is good, thus providing a precision test of QCD at large momentum transfers $Q$. The strong coupling constant $α_s$ is extracted differentially as a function of $Q$, showing a good agreement with the renormalisation group equation and with previous analyses. A simultaneous fit to all transverse energy$-$energy correlation distributions across different kinematic regions yields a value of $α_\mathrm{s}(m_Z) = 0.1175 \pm 0.0006 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0034}_{-0.0017} \mbox{ (theo.)}$, while the global fit to the asymmetry distributions yields $α_{\mathrm{s}}(m_Z) = 0.1185 \pm 0.0009 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0025}_{-0.0012} \mbox{ (theo.)}$.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける多ジェット事象での横断的エネルギー・エネルギー相関（TEEC）およびその方位対称性（ATEEC）を測定し、高運動量移動における摂動的QCDをテストすること。
• 次々に次々に精度（NNLO）QCD計算を用いて、TEECおよびATEEC分布からの強い結合定数𝛼𝑠の初回抽出を行うこと。
• 運動量領域にわたるTEECおよびATEEC分布に対するグローバルフィットを実施し、理論的不確実性を低減して𝛼𝑠(𝑚𝑍)を決定すること。
• 正規化群方程式による予測された𝛼𝑠の走行をテストし、走行挙動のずれを通じて新しい物理を制限すること。

提案手法

• 本分析では、LHCのATLAS検出器が収集した13 TeVのpp衝突データ139 fb⁻¹を用いる。
• 横断的エネルギー・エネルギー相関（TEEC）は、2つの主要なジェットの横断的運動量のスカラー和のビンごとに測定され、ベイズアンフォールディング技術を用いて粒子レベルにアンフォールドされる。
• 方位対称性（ATEEC）は、TEEC分布の前方部分と後方部分の差として抽出され、グルーオン放射および𝛼𝑠への感度を高める。
• 理論的不確実性を推定するために、スケール変動を伴うNNLO QCD計算とデータを比較し、低次の計算と比較して顕著に不確実性を低減する。
• すべてのTEEC分布に対する同時にグローバルフィットと、別個のATEEC分布に対するグローバルフィットを実施し、実験的および理論的不確実性を組み合わせた𝛼𝑠(𝑚𝑍)を抽出する。
• 正規化および因子化スケールを変動させることで理論的不確実性を推定し、検出器効果および検出器レベルのバイアスを除去するためにアンフォールド処理を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける多ジェット事象のTEECおよびATEEC測定から、強い結合定数𝛼𝑠をどの程度の精度で抽出できるか。
• RQ2 測定されたTEECおよびATEEC分布がNNLO QCD予測とどの程度一致するか。また、高次の補正が理論的不確実性に与える影響は何か。
• RQ3 TEECおよびATEEC分布から抽出された𝛼𝑠(𝑚𝑍)の値は、正規化群方程式による予測された走行と一致するか。
• RQ4 NNLO補正を含めることで、低次の計算と比較して𝛼𝑠の決定精度がどの程度向上するか。
• RQ5 TEECおよびATEEC分布に対するグローバルフィットは、理論的不確実性を低減した一貫性があり高精度な𝛼𝑠(𝑚𝑍)の決定を可能にするか。

主な発見

• 次々に次々に精度（NNLO）でのTEECおよびATEEC分布からの強い結合定数𝛼𝑠の初回抽出が達成され、理論的不確実性が顕著に低減された。
• TEEC分布に対するグローバルフィットから𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006（実験的）+0.0034/−0.0017（理論的）が得られ、正規化群方程式との良好な一致を示した。
• ATEEC分布に対するグローバルフィットから𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1185 ± 0.0009（実験的）+0.0025/−0.0012（理論的）が得られ、TEEC結果および過去の測定と整合的であった。
• すべての運動量領域において、データとNNLO QCD計算の一致は良好であり、高運動量移動における理論的フレームワークの正確性が裏付けられた。
• NNLO補正の組み込みにより理論的不確実性が大幅に低減され、低次の計算と比較して𝛼𝑠の決定精度が向上した。
• 結果は、大運動量スケールにおけるQCDの厳密なテストを提供し、新しい色荷を持つ粒子の存在を、それらが𝛼𝑠の走行に与える可能性のある影響を通じて制限する。